?東華大學侯成義團隊開發出高性能低溫差發電柔性熱電器件

人體是一個巨大能量源，70~85%能量以熱輻射的方式散失在周圍環境。若將人體熱量等低溫段能量有效利用，有望解決可穿戴設備等電子器件的持續供能問題。東華團隊近期在該領域研究獲得進展，一起來看看吧！

近日，東華大學青年教師侯成義在柔性熱電材料及器件領域取得新進展，相關研究成果以《基于全無機薄膜材料的高性能低溫差發電柔性熱電器件》（High-Performance Flexible Thermoelectric Devices Based on All-InorganicHybrid Films for Harvesting Low-Grade Heat）為題發表于材料領域國際知名期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）。東華大學博士生吳波與博士后郭洋為該論文共同第一作者，侯成義副研究員、李耀剛教授為共同通訊作者。

理論表明塊體熱電材料的低維化將極大提高其熱電性能，鑒于此，本研究團隊開展了一系列低維熱電材料的探索研究。在團隊前期的研究中，研究人員開發了基于石墨烯材料的熱電響應“電子皮膚”（Advanced Materials，2014，26:5018-5024.）以及柔性太陽能熱電池模型（Carbon，2015，95:150-156.）。為了進一步優化柔性熱電器件，研究團隊構筑了全石墨烯多孔結構（Carbon，2016，107:146-153.）與Au-MoS2納米片異質結（ACS Applied Materials&Interfaces，2018，10:33316-33321.），提高了材料的Seebeck系數，同時降低了其熱導率。制備的柔性薄膜的功率因子高達166.3μW m-1 K-2，可有效轉換人體熱能。工作中，研究人員將目光轉到高Seebeck系數的Bi2Te3與Sb2Te3材料，分別合成二維Bi2Te3與Sb2Te3納米片，并利用化學轉化石墨烯片（rGO）和單壁碳納米管（SWCNTs）三維網絡摻雜引入載流子傳輸通道，獲得兼具高熱電性能與高柔性的n型rGO/Bi2Te3和p型SWCNTs/Sb2Te3熱電薄膜材料。

（a）Bi2Te3、Sb2Te3二維納米片和（b）碳納米材料在退火過程中的反應機制、（c）薄膜內載流子和聲子傳輸機制

作為拓撲絕緣體，二維Bi2Te3和Sb2Te3納米片具有表面導電和體內絕緣的特性，但其導電表面極易氧化形成不利于載流子傳輸的鈍化層。高溫退火過程可以有效去除二維納米片表面的氧化態，為載流子傳輸提供通路，提高熱電薄膜的功率因子（分別達到108和55μW m-1 K-2）。同時rGO和SWCNTs緊密包覆在納米片表面，有效保護二維納米片不被過度氧化。rGO納米片、SWCNTs與Bi2Te3、Sb2Te3納米片界面間的能量勢壘對低能量載流子產生過濾效應，對短程聲子同時產生散射作用，提高了材料的Seebeck系數、降低了材料的熱導率。上述全無機材料組成的柔性熱電薄膜在超過800次的循環彎折下，熱電性能下降不超過20%。

（a-f）柔性熱電器件的輸出測試；（g-j）器件的應用演示|

將n型和p型薄膜組裝得到的溫度敏感的熱電手環，不僅能夠作為體征/環境溫度傳感器件，在低溫差（70 K）下的相對高輸出功率（23.6μW），也使其成為隨身能源裝備的有益補充。例如，研究人員還將此熱電器件與柔性光伏電池組裝得到全天候持續供能的可穿戴光伏熱電一體化器件，其中熱電層可有效俘獲光伏電池工作中產生的廢熱并將其轉換成電能，在AM0的標準光源下輸出的熱電勢可達到13 mV。同時通過轉移光伏電池工作過程產生的熱量，實現對光伏電池降溫，并將光伏電池的能量轉換效率提高了約2%。

（a）光伏熱電一體化器件的結構示意圖、（b-d）一體化器件的性能測試、（e-f）一體化器件的應用演示|

該研究得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金、東華大學勵志計劃、中國科協青年人才托舉工程、上海市青年拔尖人才等項目的大力資助。